新型AlGaN基电力电子器件研究

发布时间：2019-07-22 18:12

【摘要】：自GaN(氮化镓)高亮度蓝光LED的发明获得2014年诺贝尔物理学奖后,新型化合物半导体GaN逐渐被大众所熟知。基于GaN的大功率电子器件以其高击穿特性、高电流密度、高开关速度、低开态电阻和高热稳定性等优势引起了学术界和工业界的极大兴趣。据统计,全球每年大约有10%的电能被浪费在电能转换过程中,这相当于全球每年获取的风能、太阳能和水能等所有清洁能源的总和。随着全球能源危机的加剧,人类迫切需要更为高效的电力转换系统,而大功率器件恰好是电能转换的核心技术。搭载GaN基功率器件的设备不仅可以节省用电,还可以简化笨重的散热装置,这对家用电器小型化以及大幅提升部分军用武器性能具有重要意义。本文就是在此背景下开展研究,采用击穿场强更高的AlGaN代替常用的GaN作为缓冲层,通过优化HEMTs(高电子迁移率晶体管)器件的缓冲层结构、沟道层材料以及器件结构,获得了兼具高击穿电压与低开态电阻的多种新型AlGaN基电力电子器件。取得的研究结果如下:1.采用AlxGa1-xN渐变缓冲层,实现了性能出色的Al0.30Ga0.70N/GaN/Al0.07Ga0.93N双异质结构材料与器件。该双异质结构材料的RMS(表面粗糙度)只有0.16 nm,(10-12)面XRD摇摆曲线半高宽只有540 arcsec,室温电子迁移率高达1744 cm2/V·s,2DEG面密度高达1.09×1013 cm-2。器件测试结果表明,双异质结HEMTs的电学特性全面超越常规单异质结HEMTs,包括饱和漏电流从990 mA/mm提高到1014 mA/mm,峰值跨导从182 mS/mm提高到194 mS/mm,亚阈值摆幅从113 mV/dec下降到78 mV/dec,开关比从105.3提高到106.2,漏致势垒降低系数从24 mV/V降到14 mV/V,肖特基漏电流大约降低了75%,击穿电压从59 V提高到109 V。2.比较研究了AlGaN缓冲层厚度与GaN沟道层厚度对GaN双异质结器件性能的影响。研究发现,具有1400 nm AlxGa1-xN渐变缓冲层和70 nm GaN沟道层的材料样品质量远高于具有800 nm AlxGa1-xN渐变缓冲层12 nm GaN沟道层的样品,包括RMS从0.22 nm降低到0.17 nm,刃位错面密度从2.4×109 cm-2降低到1.3×109 cm-2,载流子迁移率从1535 cm2/V·s提高到1602 cm2/V·s,载流子面密度从0.87×1013 cm-2提高到1.15×1013 cm-2,饱和漏电流从757 mA/mm提高到1050 mA/mm,开态电阻从5.3Ω·mm降低到3.6Ω·mm,台面漏电降低了两个数量级,击穿电压从72 V提高到108 V。值得注意的是,1050 mA/mm是所有已经报道的Al0.30Ga0.70N/GaN/Al0.07Ga0.93N结构双异质结HEMTs所达到的最高水平。3.采用AlGaN/GaN复合缓冲层,实现了高性能的Al0.40Ga0.60N/Al0.18Ga0.820N异质结材料和HEMT器件。与单纯AlGaN缓冲层相比,AlGaN/GaN复合缓冲层能够有效提升外延材料质量,降低异质结的表面粗糙度,提高异质结中2DEG的面密度和迁移率,降低异质结的方块电阻。HEMT器件的性能也得到了大幅提升,包括饱和电流提高了148%,峰值跨导提高了74%,开态电阻从31.2Ω·mm降低到了8.1Ω·mm。4.在国际上首次展示了AlGaN沟道MIS-HEMTs,并比较了栅漏间距对器件击穿场强和击穿电压的影响。采用SiNx栅介质可以有效的降低器件的栅漏电,使得器件在栅漏间距为2μm时,器件的击穿电压为359 V,平均击穿电场高达1.8 MV/cm。击穿电压并不随着栅漏间距线性增加,击穿电场随着栅漏间距的增加而逐渐下降。当栅漏间距达到20μm时,器件的击穿电压达到1661 V,平均击穿电场下降到0.83MV/cm,这是由于栅漏间距过大时负栅压难以有效耗尽靠近漏端的沟道中的载流子。栅介质的引入、势垒层、沟道层和缓冲层的材料禁带宽度较大是导致AlGaN沟道MIS-HEMTs拥有卓越的击穿特性的关键因素。5.研究了AlGaN沟道MIS-HEMTs器件的变温特性,发现该器件具有卓越的高温稳定性。当测试温度从25℃升高到275℃时,AlGaN沟道MIS-HEMTs的饱和电流从211 mA/mm下降到169 mA/mm(VGS=4 V),降幅只有20%,而器件的静态开态电阻也仅仅升高了24%。AlGaN沟道MIS-HEMTs高温稳定性主要得益于其载流子迁移率在高温环境下能够保持稳定。AlGaN沟道HEMTs的优异的高温稳定性非常适合工作环境恶劣的应用领域,比如航天器,航空发动机和采矿业等领域。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN386

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本文编号：2517797